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문제 정의
- 본 건물은 재실자에게 높은 쾌적감을 제공하는 친환경 건물 구현과 혁신적인 에너지 제로화 달성을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 건물에서 사용되는 에너지 절감을 위하여 고성능 외피(고기밀, 고성능 창호, 외단열), 자연채광, 경사벽 및 외부 차양을 적용하였다.
- 건축적인 요소를 적용하여 건물의 에너지요구량을 저감시킨 상태에서 고효율 냉난방시스템, 고효율 환기시스템, 건물 자동화 시스템 및 조명 제동제어 등의 기계적인 에너지절약 기법을 적용하였다.
- 본 건물은 에너지 제로의 실증과 에너지 자립 도시 구현을 위하여 건축적 요소인 고성능 외피(고기밀, 고성능 창호, 외단열), 자연채광 및 외부 차양을 적용하였고, 기계적 요소인 고효율 냉난방시스템, 고효율 환기시스템, 건물 자동화 시스템 및 조명제동제어 등을 적용하여 건물에서 소요되는 에너지를 최소화하였다. 그리고 건물에서 소요되는 전체 에너지는 태양광 발전을 통하여 자급자족할 수 있도록 하였다.
- 재실인원은 최대 400명을 스케줄에 따라 재실하는 것으로 적용하였고, 발열량은 ISO 7730의 경작업에 기준하여 1인당 현열 90 W, 잠열 95 W를 적용하였다. 그리고 고정부하는 표 4의 5.4 kW를 24시간, 365일 사용하는 것으로 적용하였으며, 가변부하는 표 5의 최대부하 26 kW를 스케줄에 따라 사용하는 것으로 적용하였다.
- 그리고 에너지소요량 및 에너지절감 효과를 정량화하기 위하여 RADIANCE/ DAYSIM, TRNSYS, THERM 및 ZENITH 등의 시뮬레이션 프로그램을 이용하였다.
- 이를 위하여 건축 및 기계적인 에너지 절약기법을 적용하여 에너지 사용을 최소화하였고, 화석연료 사용을 배제하기 위하여 모든 에너지원을 전기로 계획하였다. 그리고 필요한 전기에너지는 태양광 발전을 통하여 공급하여 연간 소요되는 에너지와 생산하는 에너지 사이에 균형을 이룰 수 있도록 하였다. 그림 1은 위와 같은 에너지 제로를 달성하기 위한 기본개념으로 에너지 절감의 중요성을 나타낸다.
- 그리고, 건물의 외벽은 그림 8과 같이 경사벽으로 계획하여 태양고도가 높은 하절기에는 일사에너지 취득을 감소시켜 냉방에너지 소요량을 절감시키고, 태양고도가 낮은 동절기에는 일사에너지를 취득하여 난방에너지 소요량을 절감시킬 수 있도록 계획하였다.
- 겨울철에는 사용자가 작동하지 않는 이상 블라인드가 항상 올라가 있고, 여름철에는 일사량이 150 W/m²를 초과할 때에는 블라인드가 내려와 일사를 차단하고, 일사량이 100 W/m²이하로 내려갈 때에는 슬랫을 수평으로 유지하며, 일사량이 50 W/m²이하일 때에는 블라인드가 올라가도록 자동제어된다. 그리고, 방위별로 상이한 일사량에 대응하기 위하여 각 방위별로 별도센서를 설치하였다.
- 그림 15와 같은 태양광 발전은 기존 전력망에 연결하여 태양광 발전량이 전기 소요량보다 많은 경우에는 잉여량을 송전하고, 태양광 발전량이 전기 소요량보다 적을 경우에는 기존 전력망으로부터 전기를 공급받도록 계획하였다. 그리고 전기 소요를 최대한 저감하기 위하여 아래와 같은 사항을 계획 및 운영단계에서의 원칙으로 적용 하였다.
- 그림 7과 같이 실이 깊어짐에 따라 자연채광이 불리해지는 것을 해결하기 위해 건물의 중앙에 Light Well 역할을 하는 중정을 두었고, 바람개비 날개 형태의 경사지붕은 Sunlight Reflector 역할을 함으로써 태양광을 실내로 반사시킬 수 있도록 하였다. 이때 Sunlight Reflector의 반사율을 높이기 위하여 경사지붕 및 경사벽은 하얀색으로 마감하였고, 실내로 유입된 빛을 효율적으로 확산시키기 위하여 천장 및 내부벽체도 반사율이 높은 하얀색으로 마감하였다.
- 냉방은 그림 13과 같이 히트펌프 없이 지열수와 냉수를 열교환기를 통하여 직접 열교환하여 복사패널 및 컨벡터에 공급하였고, 용량이 부족할 경우에 대비하여 냉동기의 냉수를 지열 냉방용 버퍼탱크에 연결하였다.
- 연간 일사와 조도 시뮬레이션은 그림 17의 RADIANCE/ DAYSIM을 사용하였고, 직달 및 확산일사를 고려한 실제 상태에서의 연간 시간별 타임스텝(Time Step)을 반영하였다. 또한, 건물의 복잡성과 외피의 경사에 따른 일사의 영향도 고려하였다.
- 본 건물은 에너지 제로의 실증과 에너지 자립 도시 구현을 위하여 건축적 요소인 고성능 외피(고기밀, 고성능 창호, 외단열), 자연채광 및 외부 차양을 적용하였고, 기계적 요소인 고효율 냉난방시스템, 고효율 환기시스템, 건물 자동화 시스템 및 조명제동제어 등을 적용하여 건물에서 소요되는 에너지를 최소화하였다. 그리고 건물에서 소요되는 전체 에너지는 태양광 발전을 통하여 자급자족할 수 있도록 하였다.
- 설치된 조명 전력밀도는 8 W/m²을 적용하였고, 주광레벨이 사용시간에 300 lux 이하로 내려가면 전기조명으로 전환되어 켜지고 디밍(Dimming)되도록 하였으며, 300 lux를 초과하게 되거나 업무시간이 끝나면 조명이 꺼지도록 하였다.
- 실내 표면의 반사율은 천장 80%, 벽 및 칸막이 50%, 바닥 30%를 적용하였고 조도센서는 바닥에서 80 cm 위에 40개소를 설치하여 주광제어에 사용하였다. 설치된 조명 전력밀도는 8 W/m²을 적용하였고, 주광레벨이 사용시간에 300 lux 이하로 내려가면 전기조명으로 전환되어 켜지고 디밍(Dimming)되도록 하였으며, 300 lux를 초과하게 되거나 업무시간이 끝나면 조명이 꺼지도록 하였다.
- 에너지 시뮬레이션은 그림18의 TRNSYS를 사용하였고, RADIANCE/ DAYSIM에 의한 조명기구의 에너지 소비 및 내부 발열 프로파일을 반영하였다.
- 에너지 절약 설계를 위하여 표 6과 같이 다양한 변수를 적용하여 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 최초에는 기준건물에 대한 시뮬레이션을 실시하였고, 외피 기밀성 강화, 단열강화+환기, 주광사용, 열회수 장치, 고효율 냉동기, 증발냉각, 지열 열교환기 및 히트펌프를 적용하여 에너지 절감 효과에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
- 에너지 제로 목표를 달성하기 위해서 사용되는 모든 에너지원은 화석연료를 배제하고 전기로 설계하였으며, 소요되는 연간 에너지양과 생산되는 연간 에너지양이 균형을 이룰 수 있도록 태양광 발전용량을 결정하였다. 표 7과 그림 21에 항목별로 소요되는 연간 에너지양과 필요한 태양광 발전 용량을 나타냈다.
- 연간 일사와 조도 시뮬레이션은 그림 17의 RADIANCE/ DAYSIM을 사용하였고, 직달 및 확산일사를 고려한 실제 상태에서의 연간 시간별 타임스텝(Time Step)을 반영하였다. 또한, 건물의 복잡성과 외피의 경사에 따른 일사의 영향도 고려하였다.
- 외기 제습을 위하여 많은 에너지가 사용되기 때문에 증발냉각 방식의 공조기를 적용하였고, 각 실의 냉방을 위하여 그림 11의 바닥복사패널과 컨벡터에 지열 열교환기에서 생산된 냉수를 공급하였다.
- 이를 위하여 건축 및 기계적인 에너지 절약기법을 적용하여 에너지 사용을 최소화하였고, 화석연료 사용을 배제하기 위하여 모든 에너지원을 전기로 계획하였다. 그리고 필요한 전기에너지는 태양광 발전을 통하여 공급하여 연간 소요되는 에너지와 생산하는 에너지 사이에 균형을 이룰 수 있도록 하였다.
- 에너지 절약 설계를 위하여 표 6과 같이 다양한 변수를 적용하여 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 최초에는 기준건물에 대한 시뮬레이션을 실시하였고, 외피 기밀성 강화, 단열강화+환기, 주광사용, 열회수 장치, 고효율 냉동기, 증발냉각, 지열 열교환기 및 히트펌프를 적용하여 에너지 절감 효과에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 20에 각 에너지절감 아이템을 반영했을 때의 연간 에너지 소요량을 나타냈다.
대상 데이터
- 01일) 별표1 지역별 건축물 부위의 열관류율표와 비교했을 때 열성능이 우수함을 알 수 있다. 그리고 유리는 그림 5와 같이 중정 커튼월과 수평 연창부분에 Low-e 삼중유리를 사용하였고, 그림 6과 같이 다른 모든 외부 커튼월에 일사 차폐성능이 높은 삼중유리를 사용하였다. 타입별 창의 열성능은 표 3과 같다.
- 본 건물은 에너지 제로의 실증과 에너지 자립 도시 구현을 위하여 서울 월드컵 공원내 평화야외 공연장에 건축되었으며, 표1과 그림3은 건축 개요 및 조감도이다.
- 본 건물은 전시시설의 특성상 주 7일 운영되며, 시간대별 부하율은 07~11시:34%, 11~13시:70%, 13~17시:100%, 17~19시:70%를 적용하였다. 재실인원은 최대 400명을 스케줄에 따라 재실하는 것으로 적용하였고, 발열량은 ISO 7730의 경작업에 기준하여 1인당 현열 90 W, 잠열 95 W를 적용하였다. 그리고 고정부하는 표 4의 5.
이론/모형
- 외피 기밀성 검토는 DIN EN 13829에 준하는 기밀성 테스트에 의해 시행하였으며 시간당 0.36회로 측정되었다. 이것은 동절기 침기율 0.
- 태양광 발전량을 계산하기 위하여 독일 Fraunhofer ISE사의 ZENITH를 사용하였다. 태양광 모듈은 건물의 남쪽으로 10도 기울어진 것으로 반영하였고, 모듈 간의 케이블 손실과 차양을 고려하여 연간 1,011 kWh/kW를 발전할 수 있는 것으로 계산되었다.
성능/효과
- 외기도입량은 1인당 30 CMH로 하였고, 침기율은 기밀성테스트의 결과와 문의 개방시간을 고려하여 시간당 0.1회를 반영하였으며, 환기 시스템의 열회수 장치는 온도 효율 75%로 연중 가동되는 것으로 반영하였다.
- 태양광 발전량을 계산하기 위하여 독일 Fraunhofer ISE사의 ZENITH를 사용하였다. 태양광 모듈은 건물의 남쪽으로 10도 기울어진 것으로 반영하였고, 모듈 간의 케이블 손실과 차양을 고려하여 연간 1,011 kWh/kW를 발전할 수 있는 것으로 계산되었다.
후속연구
- 추후, 에너지 자급자족을 달성할 수 있도록 많은 시도가 이루어지고, 정량적인 에너지 분석과 절감 효과를 검토하는 에너지 절약 설계 프로세스도 폭넓게 적용되어야 한다.
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